01a

Wst¦p
3 marca 2008
1
Zasady prowadzenia zaj¦¢
1.1
Literatura
1. David Patterson, John Hennessy's, Computer Organization and Design, 3rd edition, Elsevier 2006.
2. William Stallings, Organizacja i architektura systemu komputerowego. Projektowanie systemu a jego wydajno±¢, WNT 2004.
3. Linda Null, Julia Lobur, Struktura organizacyjna i architektura systemów komputerowych,
Helion 2004
4. B. S. Chalk, Organizacja i architektura komputerów, WNT 1998;
5. M. Morris Mano, Architektura komputerów, WNT 1988.
1.2
‚wiczenia
Zasady prowadzenia i zaliczania ¢wicze« b¦d¡ podane w innym pliku.
2
Czego b¦dziemy si¦ uczy¢?
Omawia¢ b¦dziemy ogólne zasady budowy i dziaªania komputerów. Nie b¦dziemy uczyli si¦ architektury konkretnych maszyn - szczegóªowe poznanie architektury procesorów Pentium przekracza
zdecydowanie ramy tego wykªadu, który ma by¢ tylko wykªadem wprowadzaj¡cym. Poza tym na
±wiecie istnieje mnóstwo bardzo ró»nych maszyn nazywanych koputerami - od maªych komputerów osobistych do pot¦»nych superkomputerów - omówienie nawet wszystkich typów komputerów
byªoby niemo»liwe. Skoncentrujemy si¦ na cechach pojawiaj¡cych si¦ we wszystkich systemach
i omawia¢ b¦dziemy raczej architektrury modelowe, cho¢ oczywi±cie odwoªania do konkretnych
rzeczywistych rozwi¡za« b¦d¡ si¦ pojawiaªy.
Co to jest komputer? Sama nazwa pochodzi od angielskiego sªowa compute, które oznacza
oblicza¢. Sugeruje to, »e komputery s¡ urz¡dzeniami przeznaczonymi do oblicze«. Tak oczywi±cie
byªo na pocz¡tku. Teraz powiemy raczej, »e komputer to urz¡dzenie, którego zadaniami s¡:
•
przetwarzanie danych (obliczenia na danych liczbowych, kompresja tekstów, szyfrowanie,
...)
•
przechowywanie danych (pami¦ci zewn¦trzne, ale nie tylko: nawet podczas przetwarzania
danych potrzebna jest funkcja przechowywania, chocia»by chwilowego w rejestrach procesora)
1
•
przenoszenie danych (klawiatura-komputer, komputer-monitor, transmisja na dalsze odlegªo±ci)
•
sterowanie tymi trzema funkcjami (w najprostszych przypadkach przez osoby z zewn¡trz,
zazwyczaj przez jednostk¦ steruj¡c¡ zasobami komputera)
Komputer zbudowany jest z
•
jednostki centralnej (CPU) - sterowanie, przetwarzanie danych
•
pami¦ci gªównej - przechowywanie danych
•
systemu wej±cia wyj±cia - przenoszenie danych mi¦dzy komputerem a otoczeniem
•
poª¡czenia systemu (magistrale)
Na budow¦ komputera b¦dziemy spogl¡da¢ hierarchicznie. Ju» w tej chwili mo»emy rzuci¢
okiem jak wygl¡da modelowa jednostka centralna (procesor). Skªada si¦ ona znowu z kilku cz¦±ci:
•
jednostka steruj¡ca (procesor w procesorze)
•
jednostka arytmetyczno-logicza (ALU)
•
rejestry
•
poª¡czenia wewn¦trzne
Mo»emy schodzi¢ jeszcze ni»ej. W jednostce steruj¡cej realizowanej metod¡ mikroprogramowania wyró»ni¢ mo»emy: ukªady logiczne szeregowania, rejestry i dekodery jednostki steruj¡cej,
pami¦¢ steruj¡c¡.
2.1
Model von Neumanna
Wspóªczesne maszyny s¡ budowane zazwyczaj zgodnie z tzw. modelem von Neumanna. Koncepcja ta nale»y do twórców komputera ENIAC (Mauchly, Eckert, von Neumann byª konsultantem).
Podobne pomysªy miaª w tym samym czasie (45-46) Alan Turing.
przechowywany jest w pami¦ci razem z danymi.
Podstawowa cecha:
•
koncepcja programu (rozkazy wykonywane s¡ szeregowo, z wyj¡tkiem skoków)
•
program i dane w pami¦ci gªównej, adresowanie
•
ALU operuje na danych binarnych
•
cykl pobieranie-dekodowanie-wykonywanie rozkazów
•
I/O nadworowane jest przez CPU.
program
Oczywi±cie pojawiªo si¦ wiele dodatkowych rozszerze« (pami¦¢ wirtualna, dane zmiennoprzecinkowe, przerwania, potokowo±¢, wieloprocesorowo±¢...), ale, z grubsza rzecz bior¡c, model
obowi¡zuje do dzi±.
3
Szkic programu wykªadu
Nasz cel: zobaczy¢ jak zbudowa¢ komputer realizuj¡cy prosty zestaw rozkazów (konkretnie pewnien podzbiór zbioru rozkazów procesora MIPS) z bramek logicznych.
W naszej modelowej
maszynie powinni±my umie¢ zrealizowa¢ m.in. przetwarzanie potokowe oraz pami¦¢ cache.
Przy okazji poznamy zagadnienia zwi¡zane z poni»szymi tematami:
2
•
Ukªady kombinacyjne
•
Ukªady sekwencyjne
•
Reprezentacja danych
•
CPU. Architektury zbioru rozkazów
•
Elementy programowania niskopoziomowego
•
Systemy pami¦ci
•
Ukªady wej±cia-wyj±cia
•
...
3